沿海橋梁混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與監(jiān)測技術(shù)研究

汪 洋

(江蘇省永超建設(shè)有限公司，江蘇連云港 222001)

沿海橋梁混凝土結(jié)構(gòu)將遭受遠(yuǎn)比內(nèi)陸更為嚴(yán)峻的自然環(huán)境考驗(yàn)，如海風(fēng)、海霧、海浪、海水等腐蝕作用，橋梁混凝土中鋼筋可能發(fā)生腐蝕，將會(huì)大大降低了橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。如2000年5月20日美國North Carolina某高速公路橋由于鋼筋腐蝕疲勞破壞而發(fā)生倒塌。因此，對沿海公路橋梁來說，研究和制定科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)的混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)措施，并進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測和評估，保證橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命的要求，具有十分重要的意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

1.1 混凝土防腐蝕措施

海工耐久混凝土是指采用常規(guī)原材料、常規(guī)工藝、摻加礦物摻合料及化學(xué)外加劑、經(jīng)配合比優(yōu)化而制作的，在海洋環(huán)境中具有耐久性及良好工作性能的結(jié)構(gòu)混凝土。20世紀(jì)90年代中期交通部四航局科研所即開展了大摻量粉煤灰高性能混凝土研究、抗鹽污染高性能混凝土配制成套技術(shù)研究，研究成果突破了傳統(tǒng)使用活性摻合料摻量的規(guī)定，配制的高性能混凝土抗氯離子滲透性和使用壽命可成倍增長。該技術(shù)被國內(nèi)許多海港工程使用，已成為港口工程、跨海橋梁、鐵路工程等交通土木工程領(lǐng)域的新技術(shù)，推動(dòng)了海工混凝土耐久性設(shè)計(jì)的進(jìn)程。然而，由于海工混凝土所處環(huán)境的復(fù)雜性，影響耐久性參數(shù)眾多，因此各個(gè)具體工程建設(shè)時(shí)必須對耐久性參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。目前還未建立一個(gè)公認(rèn)的同時(shí)考慮混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的配合比設(shè)計(jì)方法。

為了阻止或減少海洋環(huán)境中氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕作用，國內(nèi)外從20世紀(jì)開始對海工混凝土腐蝕防護(hù)附加措施開展了大量研究。在混凝土表面涂層方面，開發(fā)了浸入型和隔離性涂層技術(shù)，20世紀(jì)末在歐美已應(yīng)用于撒除冰鹽的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)。英國謝菲爾德大學(xué)與日本海港研究所于1993年研制了一種高彈性的丙烯酸橡膠涂層，特別適合于濕熱的海洋浪濺區(qū)。我國四航局科研所、上海建科院和南京水科院等單位已開發(fā)出憎水型硅烷浸漬涂層和可在潮濕表面施涂固化的隔離性涂層技術(shù)，并應(yīng)用于大型海港工程。如杭州灣跨海大橋承臺(tái)以上部分混凝土結(jié)構(gòu)均使用了表面涂層。20世紀(jì)70年代開始，美國聯(lián)邦公路管理局對鋼筋阻銹劑進(jìn)行了大量研究，在美國、加拿大、日本和中東等，阻銹劑應(yīng)用已有20余年歷史。使用檢查表明，這些結(jié)構(gòu)的阻銹劑含量仍保持不變，即使混凝土中氯化物的含量較高，鋼筋仍保持鈍態(tài)。我國1970年起，湛江港浪濺區(qū)暴露試驗(yàn)也表明，摻阻銹劑的鋼筋混凝土試件，長期阻銹效果好。我國杭州灣跨海大橋承臺(tái)、墩身混凝土使用了阻銹劑。但是，阻銹劑使用時(shí)會(huì)降低混凝土強(qiáng)度，另外阻銹劑與其他外加劑的相容性需專門研究。陰極保護(hù)原理早在鋼筋混凝土成為常用建筑材料之前的1824年即已確立，但應(yīng)用于海港工程始于20世紀(jì)50年代。1995年美國佛羅里達(dá)采用預(yù)埋鋅合金陽極方式，成功地保護(hù)了處于潮濕的跨海橋墩和樁帽的潮差段鋼筋。1998年日本采用膨潤土加水調(diào)成導(dǎo)電膩?zhàn)踊靥钣阡\合金板和混凝土表面之間的間隙中，確?；芈烽L期低電阻，使海港碼頭浪濺區(qū)混凝土梁板鋼筋受到充分的陰極保護(hù)。我國杭州灣跨海大橋主墩承臺(tái)、塔座及下塔柱采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了外加電流陰極保護(hù)。但是只有采用均布于整個(gè)被保護(hù)表面的陽極系統(tǒng)，才能成功的實(shí)施陰極保護(hù)，另外該系統(tǒng)成本較高。

綜上所述，盡管目前有海工耐久混凝土技術(shù)、混凝土表面防護(hù)技術(shù)、阻銹劑技術(shù)、鋼筋涂層技術(shù)、陰極保護(hù)技術(shù)等，但由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，混凝土耐久性很難通過單一措施保證，而必須根據(jù)具體的環(huán)境條件和設(shè)計(jì)條件，考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面采取綜合耐久性措施以保證整體耐久性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.2 橋梁混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測技術(shù)

目前海工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測參數(shù)主要是氯離子擴(kuò)散系數(shù)、氯離子含量及鋼筋腐蝕狀況。關(guān)于氯離子擴(kuò)散系數(shù)的檢測方法主要有自然擴(kuò)散法、RCM方法及NEL方法等。然而自然擴(kuò)散法試驗(yàn)時(shí)間太長，一般需要幾十天至幾個(gè)月，19世紀(jì)80年代美歐采用該方法(AASHTOT259及NT-build443)。90年代瑞典華人L.Tang教授提出氯離子電遷移快速試驗(yàn)方法(RCM)，并研制RCM測定儀。該方法已納入我國GB/T 50476-2008混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范。但上述方法都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即需要取樣在實(shí)驗(yàn)室操作，無法在現(xiàn)場對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。針對這一問題，英國Belfast女王大學(xué)開發(fā)研制了PERMIT離子遷移儀，可在實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場對混凝土抗氯離子侵入的能力進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果可提供混凝土的電阻率、最大電流及現(xiàn)場氯離子擴(kuò)散系數(shù)。關(guān)于混凝土中氯離子含量測定主要采用硝酸鹽滴定方法，該方法需現(xiàn)場取樣。最近，中交四航工程研究院研制出了埋入混凝土內(nèi)可以檢測混凝土中氯離子濃度的傳感器和新型TTS多元傳感器。初步研究成果表明，Nernst電極電位線性響應(yīng)好、靈敏度高、參比電極抗干擾能力強(qiáng)。通過封裝和排布研究，新型TTS使傳感器可以進(jìn)行與混凝土深度相關(guān)的的氯離子濃度、混凝土電阻和鋼筋腐蝕電流等電化學(xué)測試，但是該傳感器在混凝土中的長期穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步研究。關(guān)于混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)檢測，傳統(tǒng)方法應(yīng)用存在較大局限性。鉆孔取樣法雖然檢測鋼筋銹蝕程度較準(zhǔn)確，但會(huì)破壞結(jié)構(gòu)的整體性。鑒于電化學(xué)測試技術(shù)(半電池電位法、線性極化法、恒電量法)雖然很早就引入鋼筋銹蝕檢測，如半電池電位法已納入我國規(guī)范，但是電化學(xué)方法易受外界因素影響，檢測工作量大，對難以到達(dá)的結(jié)構(gòu)表面還無法檢測。20世紀(jì)80年代，德國亞琛工業(yè)大學(xué)首先發(fā)明了梯形陽極混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋式耐久性無損檢測系統(tǒng)，主要以建立鋼筋脫鈍前鋒面發(fā)展進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型。但該系統(tǒng)仍需模擬實(shí)際環(huán)境，利用實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)建立鋼筋銹蝕中電學(xué)參數(shù)和輸出光功率變化的脫鈍判據(jù)。另外，該預(yù)埋系統(tǒng)價(jià)格昂貴，每只傳感器價(jià)格達(dá)1 000歐元。目前國內(nèi)外學(xué)者開展了光纖傳感和無線傳感等技術(shù)用于鋼筋銹蝕智能監(jiān)測研究，并在少數(shù)海港工程中應(yīng)用，但目前未能在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。

1.3 海工混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測方法

混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測是一個(gè)世界性課題，已引起國際上學(xué)者的高度重視，開展了大量研究工作并取得了許多階段性成果。國際上有代表性的混凝土結(jié)構(gòu)壽命計(jì)算模型有歐洲D(zhuǎn)uracrete模型、美國Life-365模型和日本土木學(xué)會(huì)模型，都是基于Fick擴(kuò)散定律。如歐洲的Duracrete項(xiàng)目提出的耐久性設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測方法，是分別以碳化和氯離子引起鋼筋銹蝕為主，這個(gè)項(xiàng)目建立了一套相對完整的耐久性設(shè)計(jì)新體系和相應(yīng)的服役壽命預(yù)測方法。但其中不足在于該壽命預(yù)測方法主要是基于實(shí)驗(yàn)室的模擬試驗(yàn)得出的，與工程實(shí)際情況有差異。東南大學(xué)等結(jié)合潤揚(yáng)長江公路大橋、蘇通大橋和泰州大橋等重點(diǎn)工程在混凝土耐久性評價(jià)和壽命預(yù)測方面開展了大量研究，提出了荷載與環(huán)境因素耦合作用的混凝土耐久性評價(jià)與壽命預(yù)測方法。中交四院工程研究院以海洋工程長期暴露實(shí)驗(yàn)和實(shí)體工程調(diào)查成果對耐久性劣化模型參數(shù)進(jìn)行修正，首次建立了與我國典型海工混凝土結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的壽命預(yù)測模型。采用對數(shù)年前暴露試驗(yàn)“室內(nèi)復(fù)原”的方法，建立了海工混凝土耐久性質(zhì)量控制指標(biāo)與設(shè)計(jì)使用年限之間的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了海工混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測的突破。但是一些耐久性關(guān)鍵參數(shù)還暫時(shí)停留在理論和憑經(jīng)驗(yàn)判斷的技術(shù)水平上。另外目前與使用壽命密切相關(guān)的氯離子在力學(xué)與環(huán)境共同作用下在混凝土中傳輸機(jī)理還不是很明確。因此與耐久性直接相關(guān)的新建工程使用壽命仍無法準(zhǔn)確預(yù)測。

2 研究展望

在總結(jié)東海大橋、杭州灣跨海大橋、青島跨海大橋等海工混凝土科研成果基礎(chǔ)上，針對沿海橋梁所處環(huán)境特點(diǎn)和混凝土結(jié)構(gòu)耐久性要求，采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)及理論分析相結(jié)合，對沿海橋梁混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)、沿海橋梁混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測及壽命評估等方面開展深入研究，從提高混凝土材料耐久性、混凝土表面防護(hù)入手，提出沿海橋梁混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕綜合技術(shù)措施，研究開發(fā)鋼筋腐蝕監(jiān)測技術(shù)，建立現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系，更真實(shí)地反映實(shí)際工程情況，更合理地預(yù)測橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，為沿海橋梁結(jié)構(gòu)服役壽命預(yù)測、沿海橋梁建設(shè)與養(yǎng)護(hù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

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